深海采矿扬矿管道系统力学行为模拟试验系统研究
深海采矿中试铰接式扬矿系统的实验设计
深海采矿中试铰接式扬矿系统的实验设计徐妍，冯雅丽，张文明北京科技大学土木与环境工程学院，北京（100083）E-mail：beijingxuyan@摘要：根据流体力学理论及量纲分析，从满足深海采矿扬矿实验系统中流体动力学的相似条件入手，确定了系统的相似条件和应遵循的相似准数，建立了1：100的实验系统。
利用虚拟样机技术建立扬矿系统模型，对系统在四级海况下的横向运动进行动力学仿真，采用正弦机构对海流进行模拟，对铰接式光体圆柱硬管系统在相同海况下的横向运动进行实验分析；仿真结果与实验数据进行比较，两者结论基本一致，说明实验模型是正确的，可为今铰接式扬矿系统的研究提供理论依据。
关键词：铰接式扬矿系统，相似理论，虚拟样机，横向偏移中图分类号：P751；P74；TH122大洋多金属结核赋存于海底5000-6000米，富含铜、钴、锰等金属，是人类重要的接替资源。
我国自二十世纪八十年代以来，经过多年的研究，确定了水力提升自行式集矿机的深海开采系统，完成了部分关键部件的研制，准备进行1000米深海采矿中试系统海上试验[1]。
中国1000米深海采矿中试系统由采矿船、扬矿管、提升泵、中间舱、软管、集矿机等组成（图1）。
扬矿系统在海水中承受着由采矿船的纵摇、横摇、深沉以及洋流、海浪等的作用，呈现出复杂的动力学特性，其上端与采矿船铰接，下端与中间舱相连。
扬矿管之间的连接采用刚性连接方式（卡环或螺纹连接）。
由刚性连接的扬矿管道承受很大的弯曲应力，连接部位会出现应力集中、应力腐蚀现象，对系统的强度产生很大影响。
如果连接接头设计成特殊的铰接形式，有一定的弯曲、转动自由度，则可以做到不管外界环境和外力如何变化，扬矿管在变化的切向力作用下，1全部扬矿管只受轴向力。
此时相当于“柔性管”，这是一种比较理想的情况。
利用虚拟样机技术对铰接式扬矿管的形态和受力状况进行系统分析，根据相似理论设计了1000米深海采矿铰接式扬矿系统实验装置，以考核分析结果的可靠性，为1000米深海采矿系统提供理论依据。
深海采矿扬矿实验系统相似条件及相似准数的确定
深海采矿扬矿实验系统相似条件及相似准数的确定
徐妍;郑红彬;张晓峰
【期刊名称】《有色金属工程》
【年(卷),期】2005(057)004
【摘要】根据流体动力学原理,从深海采矿扬矿实验系统中流体动力学相似条件入手,利用数学分析方法,研究实验系统中各参数之间的关系,确定实验系统中几何相似、运动相似及动力相似条件以及应遵循的准数.结果表明,主要相似准数为雷诺数(动力相似准数).试验时根据雷诺数的范围进行速度变化,从而实现运动相似,可为以后建
立实验室及具体试验提供理论依据.
【总页数】3页(P94-96)
【作者】徐妍;郑红彬;张晓峰
【作者单位】北京科技大学,土木与环境工程学院,北京,100083;河南平顶山煤业(集团)公司矸石电厂,河南,平顶山,467013;北京工业大学,北京,100022
【正文语种】中文
【中图分类】TF857;TD432
【相关文献】
1.基于Rayleigh法的开采沉陷相似准数研究 [J], 张文志;任筱芳
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5.一类不确定非线性相似组合大系统的结构相似鲁棒观测器设计 [J], 严星刚;吕兴亚;张嗣瀛
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深海扬矿系统的柔性多体系统动力学仿真
深海扬矿系统的柔性多体系统动力学仿真陈宇翔;阳宁;金星【期刊名称】《矿冶工程》【年(卷),期】2014(000)005【摘要】In order to study dynamics of the lifting system in deep⁃sea mining, simulation of flexible multibody dynamics ( MFBD ) for thedeep⁃sea lifting system was conducted. Based on dynamics theory of flexible multibody system, a modeling method was proposed for the flexible multibody in the deep⁃sea lifting system. The dynamic simulation of vibration of a beam under force compared with analytical solutions, verified the accuracy of this modeling method. Based on the laboratory simulation, a dynamic model was created for flexible multibody indeep⁃sea lifting system for studying dynamic simulation. It was found that the results of pipeline configuration and stress obtained from simulation tests were all in good accordance with the experimental results, indicating its reference for future research on dynamics of deep⁃sea lifting system.%为研究深海扬矿系统动力学特征，开展了扬矿系统柔性多体系统动力学仿真研究。
基于数值模拟方法的深海扬矿硬管碰撞特性
基于数值模拟方法的深海扬矿硬管碰撞特性
刘爱军;周知进
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2010(029)005
【摘要】针对海洋采矿扬矿硬管存在遭受船舶撞击的可能性,采用非线性数值模拟方法,模拟刚性船首正向撞击锚泊在深海海域扬矿硬管,从而研究船舶不同条件下管道撞击特性.研究结果表明:船舶的撞击能量主要被扬矿硬管及其内部流体所吸收,扬矿管的最大水平运动幅度和最大系泊力与撞击船舶初始速度基本呈线性关系;撞击使管道产生的凹陷部位存在应力集中,给管道的安全运行带来了事故隐患,在设计工作压力下管道凹陷部位仍有较大的安全裕度.为保证管道安全运行,需有效遏制凹陷部位裂纹缺陷的产生.
【总页数】4页(P12-15)
【作者】刘爱军;周知进
【作者单位】湖南科技大学,机电工程学院,湖南,湘潭411201;湖南科技大学,机械设备健康维护湖南省重点实验室,湖南,湘潭411201
【正文语种】中文
【中图分类】X936
【相关文献】
1.深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流当地浓度的研究 [J], 高瑞杰;唐军
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深海采矿扬矿管道工作特性的流固耦合分析与综合评价研究
参考内容二
随着工业化的快速发展，大量的流体被用于各种工业生产过程中，而输流管 道作为传输流体的主要工具，其安全性与稳定性对工业生产具有重要意义。在输 流管道系统中，流固耦合振动现象是普遍存在的，它对管道的安全运行和稳定性 产生重要影响。因此，对输流管道流固耦合振动特性进行分析，对于预防和减少 管道事故，提高管道运行效率，具有重要的理论和实践价值。
管道系统中流固耦合机制尚不明确；（2）缺乏针对深海采矿扬矿管道工作 特性的综合评价方法。
研究方法
为了深入探讨深海采矿扬矿管道工作特性，本次演示采用流固耦合分析方法， 从理论和实验两个方面进行研究。首先，基于流体力学和固体力学的基本理论， 建立深海采矿扬矿管道的流固耦合模型；然后，利用数值计算方法对模型进行求 解，并设计实验进行验证。此外，本次演示还收集了大量实际工况数据，对模型 进行进一步优化和验证。
一、输流管道流固耦合振动的基 本概念
输流管道流固耦合振动是指管道内流体与管道壁之间的相互作用，导致管道 发生振动。这种振动不仅会对管道本身的结构产生影响，还会对管道内的流体产 生影响，反过来进一步影响管道的振动。这种相互影响、相互作用的物理现象， 即为输流管道的流固耦合振动。
二、输流管道流固耦合振动特性 的分析方法
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深海采矿扬矿管道工作特性的 流固耦合分析与综合评价研究
01 引言
03 研究方法 05 结论
目录
02 文献综述 04 综合评价研究 06 参考内容
引言
随着海洋资源的日益枯竭，深海采矿作为一种新型的矿产资源开发方式，逐 渐引起了人们的。而在深海采矿过程中，扬矿管道的工作特性直接影响到整个采 矿系统的效率和安全性。因此，本次演示将针对深海采矿扬矿管道工作特性进行 流固耦合分析与综合评价研究，以期为提高深海采矿效率和安全性提供理论支持。
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下面我们就来探讨一下有关采矿工程的论文题目。
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深水钻采管柱力学行为模拟试验系统研制
深水钻采管柱力学行为模拟试验系统研制王宴滨;高德利;房军【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2014(000)004【摘要】用试验手段对深水钻采管柱进行力学行为模拟，以获得管柱的受力变形规律，对于保证各种钻采管柱的可靠性以及深水钻采作业的安全性具有重要意义。
为此，研制了能够模拟深水条件下管柱力学行为的特殊试验装置---深水管柱力学模拟试验系统。
该系统可以模拟0～3000 m 水深的海洋环境，可对被试验的管柱施加内外压及轴向力载荷，配备相应的附件后能实现横向力及转矩的加载。
该装置具有加载压力高、响应及时、内部拆装空间大、操作简单、数据采集可靠等优点。
%Simulated the deepwater drilling string mechanics behavior and obtained the stress de-formation distribution of string using experimental method is of great significance to ensure the reliability and safety of all kinds of drilling and production string in deepwater operations.In order to achieve this purpose,a special experiment device was developed which is called deepwater drill-ing and production string simulation experiment system.The equipment can be used to simulate the marine environment of 0~3 000 m water depth and can apply both inside and outside pressure and axial force to simulation string at present and can also realize transverse force and torque load after equipped with corresponding attachments.The experiment device has several advantages such as highload pressure,quick response,large dismounting space,simple operation and reliable data collection.【总页数】4页(P26-28,29)【作者】王宴滨;高德利;房军【作者单位】中国石油大学石油工程教育部重点试验室，北京 102249; CNPC石油管工程重点试验室管柱力学与控制研究室，北京 102249;中国石油大学石油工程教育部重点试验室，北京 102249; CNPC石油管工程重点试验室管柱力学与控制研究室，北京 102249;中国石油大学石油工程教育部重点试验室，北京102249; CNPC石油管工程重点试验室管柱力学与控制研究室，北京 102249【正文语种】中文【中图分类】TE931.207【相关文献】1.采场矿压机械模拟试验系统的研制及其应用2.储气库注采管柱轴向振动相似模拟试验研究3.储气库注采管柱振动模拟试验及振动规律分析4.储气库注采管柱振动模拟试验及振动规律分析5.储气库注采管柱轴向振动相似模拟试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
深海采矿水力提升系统粗颗粒运动规律模拟研究
深海采矿水力提升系统粗颗粒运动规律模拟研究大洋多金属结核是一种具有很大开采价值的深海矿产资源，广泛分布于大洋4000-6000m深的海底冲积物上，储量非常大。
我国矿区结核直径以30-60mm为主。
在开发这种海洋资源的各种可能采矿系统中，水力提升开采系统最为实用，也是我国大洋采矿提升技术主要的研究方向。
它由集矿子系统、扬矿子系统、遥测遥控子系统和洋面保障子系统等组成。
扬矿子系统是大洋采矿系统中的重要组成部分，它直接影响结核的输送、采矿效率、提升能力、可靠性及作业操作。
针对深海采矿水力提升系统结核矿物的管道输送情况，编写了水力提升系统粗颗粒运动模拟(稳定流部分) 程序，主要对深海采矿水力提升过程稳定流状态下粗颗粒的运动状况进行模拟，实现颗粒运动的动画显示。
通过对垂直扬矿管、动态扬矿管和复杂形态软管中粗颗粒的运动模拟，分析粗颗粒在管道中的运动规律，为扬矿系统的正常工作提高参考。
程序采用颗粒运动分解轨道模型，实现粗颗粒流体两相流的数值模拟。
在颗粒运动分解轨道模型中，流体相的运动规律通过Euler 法进行描述，粗颗粒的运动通过利用Lagrange方法，从分析粗颗粒在介质中的受力状态出发，追踪每个颗粒的运动轨道，从而详细研究粗颗粒在管道中的运动规律。
对锰结核管道输送实验、静态垂直管道、摆动直管道和静态弯曲管道中颗粒运动进行模拟，计算结果较好的反映了颗粒的运动规律，验证了数学模型的正确性。
本论文关于粗颗粒水力提升的研究不仅可为深海采矿系统提供安全性评价，对可能出现的问题进行分析和模拟，同样对水力采煤、挖泥船等提升设备设计及
系统运行具有一定的参考价值和现实意义。
深海采矿系统扬矿管流体动力系数试验研究及应用
深海采矿系统扬矿管流体动力系数试验研究及应用深海采矿系统运动和动力分析主要从事两方面的工作：一是系统之扬矿系统和软管的流体动力研究；二是系统的非线性、大位移和小变形情况下计算方法的研究。
本文基于上述工作，主要讨论扬矿管（简化为圆柱带小圆管）流体动力系数的试验研究及扬矿管静态时在定常流状况下的位移和应力分析的研究。
圆柱带小圆管在海流和波浪中所受到的流体动力主要有：阻力（拖曳力）、惯性力、横向力（升力）和扭矩。
惯性力在理论上已给出了其表达式，本文采用Newman的方法对物体在不定常平面流中作非定常运动时的惯性力表达式进行推导。
对于圆柱带小圆管在海流和波浪中流体动力系数的选定，本文采用试验的方法予以给出。
由试验测得的数据使用插值法建立起圆柱带一根、两根和三根小圆管的流体动力系数数据库。
作为应用，本文对圆柱带小圆管静态时在定常流状况下进行位移和应力分析：圆柱带小圆管的流体动力系数可通过已建立起的流体动力系数数据库获得，对于结构方面的计算则采用非线性有限元中的带有流动坐标的迭代法。
深海采矿1000米海试系统主要部件布放中的水动力学问题研究的开题报告
深海采矿1000米海试系统主要部件布放中的水动力学问题研究的开题报告一、研究背景及意义随着近年来深海资源勘探的不断深入，海洋采矿成为了海洋资源的重要开发方式之一，而深海采矿技术则是深海采矿的重要组成部分。
深海采矿分为两种方式，即矿山开采和沉积物采集，其中沉积物采集技术广泛应用于深海矿产资源开发领域。
目前，世界上大部分深海资源开采活动在水深不超过2000米的浅海进行，但随着浅海资源的逐渐枯竭，深海矿产资源逐渐成为深海资源开发的新热点。
尤其是海底钴、锰结核、硫化物等蕴藏丰富，且具有极高开发价值的矿物资源，已成为世界各国争相开发的焦点。
深海采矿作业环境复杂，海水中的水流和浮游生物会对深海采矿技术的研究带来较大的挑战，同时也会对采矿设备和工作效率产生影响。
因此，对深海采矿设备的水动力学特征进行研究具有重要的理论意义和现实意义。
二、研究对象深海采矿1000米海试系统主要部件布放三、研究内容1. 对深海采矿1000米海试系统主要部件布放进行数值模拟分析，研究其水动力学特性。
2. 根据模拟分析结果，优化深海采矿1000米海试系统的布放方案，提高其工作效率和稳定性。
3. 给出深海采矿1000米海试系统的水动力学特性与海水环境变化之间的关系，并对深海采矿设备的设计、制造和操作提供参考和借鉴。
四、研究方法1. 基于流体力学分析原理，建立深海采矿1000米海试系统的水动力学模型。
2. 利用计算机模拟分析软件对模型进行数值模拟分析，并得出相关数据。
3. 通过对模拟分析结果的分析和比较，对比不同布放方案的水动力学特性，提出优化建议。
五、预期成果1. 获得深海采矿1000米海试系统主要部件的水动力学特性数据。
2. 优化深海采矿1000米海试系统布放方案，提高其工作效率和稳定性。
3. 提出深海采矿设备设计、制造和操作的参考和借鉴。
六、工作计划1. 第1-2个月，调研和学习深海采矿1000米海试系统的相关知识。
2. 第3-4个月，建立深海采矿1000米海试系统的水动力学模型。
深海采矿扬矿管内高速螺旋流的数值模拟与仿真
深海采矿扬矿管内高速螺旋流的数值模拟与仿真随着全球经济的高速发展,人们对矿产资源的需求与日俱增,资源的供求矛盾日趋明显。
作为不可再生的陆地矿产资源日益枯竭,人类必定把目标转向蕴藏着丰富矿产资源的海洋,因此,对深海采矿水力提升系统进行研究非常有意义。
当前亟需解决的问题是通过何种有效的手段将赋存于海底的矿产高效地输送到陆地上,而基于龙卷风效应的高速螺旋流水力提升系统是在传统水力提升的基础上,利用高速螺旋流强大的卷吸效应,实现锰结核颗粒高浓度低能耗水力输送。
然而高速螺旋流水力提升系统中螺旋流的起旋方式、扬矿管中颗粒的力学特性、卷吸效应的机理、流场分布及输送过程中阻力损失的计算等问题尚未解决。
因此,本文主要针对上述问题对高速螺旋流水力输送技术进行了详细研究,其内容如下:(1)分析了螺旋流的起旋方式及装置特点,从能量利用率高出发,确定切向射流的起旋方式及其产生高速螺旋流的水力提升系统,并探讨卷吸效应的作用机理;(2)通过对锰结核颗粒在螺旋上升运动中的受力进行分析,建立了锰结核颗粒的运动方程;利用CFD求解,确定了影响颗粒运动的输送参数;(3)总结并对比分析了多相流模型和湍流模型的特点及应用范围,以高速螺旋流水力提升系统的实际输送情况为依据,确定了颗粒上升旋流运动的初始条件及边界条件,最终采用欧拉双流体模型及RNG湍流模型;以海水为流动介质,对锰结核颗粒—海水两相螺旋流进行数值模拟,运用数值解法求解固液两相流的基本控制方程,得到高速螺旋流在扬矿管不同断面上的速度场、压力场及颗粒浓度分布规律;(4)根据能量理论计算出不同工况条件下扬矿管内高速螺旋流输送附加阻力损失,进而通过MATLAB软件的多元回归模型推导出高速螺旋流输送阻力损失公式,且经实例验证,证实了以上所求得高速螺旋流输送阻力损失模型的可靠性;(5)自行设计了一套高速螺旋流水力提升系统模拟实验方案,验证数值模拟的流动规律及压力损失模型的可靠性。
深海采矿矿石输送软管的力学实验分析
深海采矿矿石输送软管的力学实验分析
徐海良;龙国键;梁武
【期刊名称】《矿业研究与开发》
【年(卷),期】2006(26)1
【摘要】根据深海采矿软管输送系统的主要参数,建立了采用实验对输送管道进行力学分析的相似理论。
根据相似理论,选取了一根模型输送管道,对其进行了力学实验,同时采用有限元方法对相应情况进行了力学分析。
两种分析方法所得结果基本一致,从而证明了采用有限元方法可以对深海采矿输送软管进行力学分析。
【总页数】4页(P47-49)
【关键词】深海采矿;输送系统;相似理论;有限元;力学分析
【作者】徐海良;龙国键;梁武
【作者单位】中南大学机电工程学院湖南;中联重工科技发展股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP741
【相关文献】
1.深海采矿输送软管几何非线性静力分析 [J], 徐海良;龙国键;梁武
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4.深海采矿输送软管受力特性影响因素敏感性分析 [J], 宋环峰;杜新光;王帅;杜长
远
5.采矿车运动对深海采矿软管输送系统的影响分析 [J], 徐海良;龙国键
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我国深海扬矿泵管系统首次海上试验取得成功
我国深海扬矿泵管系统首次海上试验取得成功
佚名
【期刊名称】《水泵技术》
【年(卷),期】2016(0)4
【摘要】由中国五矿集团公司所属长沙矿冶研究院承担的国家863计划项目“深海多金属结核和富钴结壳采掘与输运关键技术及装备”，于2016年6月16日～20日在中国南海某海域成功进行了“深海扬矿泵管输送系统”海上试验。
本次海试中，管道布放水深304米，管道总长638米，输送矿浆体积流量500m3／h，结核输送量50t／h，顺利通过国家863计划项目海试验收专家组验收。
这是我国首次开展深海采矿单体工程技术的海试，标志着我国深海矿物输送技术从此跻身世界一流。
【总页数】2页(P49-50)
【关键词】深海多金属结核;海上试验;输送系统;国家863计划项目;泵;中国南海;工程技术;富钴结壳
【正文语种】中文
【中图分类】TQ172.622
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1.“深海多金属结核和富钴结壳采掘与输运关键技术及装备”--扬矿泵管系统实验室试验顺利通过第三方验证 [J],
2.我国首次固体运载火箭海上发射技术试验取得成功 [J], 智宗河
3.我国首次固体运载火箭海上发射技术试验取得成功 [J],
4.中国首次深海扬矿泵管系统海试成功 [J],
5.我国首次深海扬矿泵管系统海试取得成功 [J], 本刊编辑部
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深海采矿扬矿管道系统力学行为模拟试验系统研究随着陆地资源的日趋枯竭,世界资源开发的战略眼光开始聚集到
海洋上。
对于正逐步崛起的世界新兴经济体之一的中国来说,开发深
海矿产资源正成为影响国家长远发展的一项重大课题。
深海采矿扬矿管道系统是深海采矿系统的重要组成部分,包括升沉补偿装置、扬矿
硬管、中间仓、提升泵及软管。
论文以大洋多金属结核开采及我国采矿系统技术方案为工程背景,针对深海采矿扬矿管道系统动力学问题,提出了扬矿管系力学行为模拟试验研究方案,并在此基础上建立了一
套模拟试验研究系统,旨在完成升沉补偿模拟试验、扬矿管道力学行
为性能分析模拟试验、布放回收过程水动力学性能分析模拟试验等等,可对计算机仿真进行验证,提供仿真的边界条件以及水动力系数等等,为未来的采矿作业和海试提供理论分析与技术参考。
论文的主要研究内容如下：1.进行了深海采矿扬矿管道系统力学行为模拟试验系统的方案设计,提出一种便于在实验室开展的模拟试验系统方案,即采矿
船运动模拟器方案,用Stewart六自由度平台模拟采矿船在海面的运动,在此基础上进行各项模拟试验研究。
2.提出了深海采矿扬矿管系
动力学分析模拟试验系统的功能要求,分别提出了升沉补偿模拟试验、扬矿管道力学行为性能分析模拟试验、布放回收过程水动力学性能分析模拟试验的方案设计,最后提出了可以进行这三种模拟试验的试验
平台的实验室建设方案。
3.对海浪进行研究,并确定采矿船在随机海
浪中的响应。
根据采矿船在随机海浪中的响应,依据相似原理,确定采矿船运动模拟器的参数,研制了一台采矿船运动模拟器,以实现采矿
船在海浪中横摇、纵摇、升沉运动以及试验时需要的任意运动姿态(油缸行程范围内)。
采矿船运动模拟器采用PID控制,为了确定PID控制参数,建立了阀控缸系统的数学模型,并用试验验证了该数学模型的
合理性。
在此数学模型的基础上,进行了Simulink中参数的初步调整和试验中进一步调整,确定了PID控制器参数,以达到最佳控制效果。
最后进行了采矿船运动模拟器的性能测试,结果表明,该运动模拟器
可以在预定的轨迹下按照一定的幅度和周期运动,能够用于模拟采矿船在海面的随机运动。
4.提出升沉补偿模拟试验系统的具体方案设计,升沉补偿采用主动电液系统,纵横摇补偿采用万向架平台,并在此基
础上建立了升沉补偿模拟试验系统。
采用PID控制方法,进行了Simulink中参数的初步调整和试验中进一步调整,确定了PID控制器参数。
进行了不同海况下的采矿船运动模拟器简谐运动及随机运动的升沉补偿试验,升沉补偿的效果超过了预期的目标,对影响升沉补偿
效果的因素进行了研究。
5.对采矿系统布放回收过程中水动力学的模拟试验系统进行了具体的方案设计,在采矿船运动模拟器的基础上建立了模拟试验系统,进行了布放过程入水工矿的模拟试验,试验结果
验证了仿真结果的正确性。
本文研究为扬矿管系动力学问题的研究提供了一个有效的实验室模拟试验平台。
提出并实现了深海采矿扬矿管系力学行为模拟试验研究系统,进行了升沉补偿模拟试验及布放回收过程水动力学性能分析模拟试验。
论文为解决深海采矿扬矿管系动力学研究问题提供了新的研究手段。